地質(zhì)礦產(chǎn)勘查及綠色勘查技術(shù)創(chuàng)新研究

王 燕，劉 林

（江西省地質(zhì)局第九地質(zhì)大隊，江西 吉安 343000）

2022年2月各地區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)單位，針對安全生產(chǎn)工作給出了各項管理部署，創(chuàng)建“第一課”項目，有序開展各項安全培訓(xùn)，選派專人以工程安全為主體，有效梳理綠色勘查的各項工藝內(nèi)容，給予專業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)，保證人員配備的齊全性，建立完整的生產(chǎn)制度，加強戶外生產(chǎn)的安全性，給出具體的應(yīng)急措施，以“安全”“生態(tài)”為中心，塑造工人安全思想，有序推進各項地質(zhì)勘查生產(chǎn)活動。

1 合理選擇采樣方法

礦產(chǎn)勘探期間，應(yīng)選擇合理的采樣方法。巖心鉆探生產(chǎn)活動，需采取巖礦分割處理，一半巖礦用于生產(chǎn)樣品，另一半巖礦物資用于存儲。樣品的持續(xù)性開采，主要選擇礦化位置，每個樣本的長度介于1m至2m。開闊區(qū)域﹑山地等項目進行采樣活動時，含有刻槽﹑剝層﹑打眼等多種形式?？滩酃に嚲哂休^高的使用頻率，以礦體為基礎(chǔ)，按照特定規(guī)格進行長槽生產(chǎn)。多數(shù)情況下，長槽的長邊參數(shù)取5cm，短邊參數(shù)取2cm，深度參數(shù)取10cm?？坛龅奈镔Y均制作成樣品。樣品應(yīng)具備一定代表性，采取橫切礦體工法，選擇穿脈坑道位置，在一壁﹑兩壁等位置設(shè)計1至2m長度的樣品，橫向持續(xù)進行采樣操作。剝層工法是以礦體為主體，從上至下進行礦石剝層處理，將剝層獲得的物資制成樣品。全巷工法選擇目標礦體結(jié)構(gòu)，進行坑道掘進生產(chǎn)，按照目標進尺方法，將全數(shù)礦石均制成樣品。

2 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查的關(guān)鍵工藝

2.1 磁法勘探

礦產(chǎn)勘探項目的各項工作，多數(shù)位于戶外環(huán)境，極易受到地磁場的干擾，礦產(chǎn)與巖石將會發(fā)生磁化反應(yīng)。在特定工況中，會引起礦石受到磁場干擾問題，使礦石攜帶一定磁性。如果磁性與地磁環(huán)境出現(xiàn)相互反應(yīng)，將會發(fā)生磁性異常情況。工人可采取檢測形式，關(guān)注磁性變化與礦石的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。參照理論內(nèi)容，梳理礦石分布特點，研究地質(zhì)構(gòu)造的具體特點。例如，鐵礦勘查任務(wù)，可使用磁法勘探工藝，對比各處礦石的磁性強度，判斷鐵礦含量，找出礦石分布規(guī)律。磁法勘查可用于多種勘探任務(wù)，并能夠保證礦石探測的全面性。如表1所示，是磁法勘查的區(qū)域比例規(guī)范﹑磁測操作要求。

表1 磁法勘查的區(qū)域比例規(guī)范、磁測操作要求

2.2 電法勘探

電法勘探工藝的操作理念較為復(fù)雜，借助巖石內(nèi)部各類電子化反應(yīng)﹑電化學(xué)屬性，有序執(zhí)行勘測任務(wù)。工藝實踐期間，可將“電子化”“電化學(xué)”兩種反應(yīng)差異表現(xiàn)出來，分析天然電磁場的內(nèi)在特點，參照空間分布的具體情況，探尋多種類別的礦產(chǎn)，保證地質(zhì)勘探工作進展的順暢性。各類礦體﹑巖層結(jié)構(gòu)層表現(xiàn)出的導(dǎo)電﹑導(dǎo)磁能力，具有一定的差異性，對巖層﹑礦體的物化屬性進行對比研究，可獲得各類礦體的屬性，掌握礦體的分布特點，給出相應(yīng)的找礦方案。電法勘探使用多種類型的物理參數(shù)，比如電阻比例p﹑導(dǎo)磁能力u﹑人工體極化比例η﹑區(qū)域極化能力λ﹑環(huán)境極化電位變化△ε﹑介電常數(shù)ε。電磁勘測數(shù)據(jù)的采集能力較強，單個測點的數(shù)據(jù)采集時間介于2s至5s。

2.3 X射線熒光

勘測地質(zhì)礦產(chǎn)項目時，可利用X射線熒光進行探查。探測期間，使用X射線測定土層﹑巖層處分布的元素類型，采取定量/定向等分析措施，有效搜查礦區(qū)位置。X射線探查工藝，適用性較強，可用于金屬找礦項目，可以保證勘測結(jié)果的可用性，降低采礦人員的找礦難度，增強整體找礦生產(chǎn)的高效性。X射線熒光工藝使用期間，含有特征X射線，并未使用持續(xù)性X射線，射線發(fā)出等級有“原級”“1級”“2級”，對應(yīng)產(chǎn)出“1級”“2級”“3級”的熒光。

2.4 GPS感應(yīng)

GPS感應(yīng)工藝是通過使用定位技術(shù)進行找礦，實測信息回傳至接收站，結(jié)合區(qū)域?qū)崨r﹑礦產(chǎn)方位開展找礦分析，在采礦活動中表現(xiàn)出較高的技術(shù)優(yōu)勢，可降低人們找礦的困難性。比如，使用手持GPS設(shè)備，測定礦產(chǎn)的具體位置信息，在現(xiàn)有測點位置校準參數(shù)，定位用時5min左右。對比礦區(qū)現(xiàn)有的定位測點﹑GPS可獲得定位的測點，進行合理的參數(shù)優(yōu)化處理，可提升手持GPS設(shè)備的定位信息精確性至少5m，順應(yīng)“1∶2000”﹑“1∶10000”各類較高比例規(guī)格的礦產(chǎn)測量工作，保證礦產(chǎn)定位信息的準確性。如圖1所示，是全球定位技術(shù)的框架圖。

圖1 全球定位技術(shù)的框架圖

2.5 地球化學(xué)

地球化學(xué)工藝是借助先進科技，綜合分析地質(zhì)勘測信息的可用性。有效采集各類價值資料，開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合分析結(jié)果，篩選可用信息，增強勘測資料的準確性。在地球化學(xué)實測期間，技術(shù)人員可使用先進工藝，測定沙漠范圍內(nèi)的礦物資源，結(jié)合探測資料追尋礦體信息，找出可溶性物質(zhì)，作為地球化學(xué)的探測結(jié)果。地球化學(xué)工藝的測定信息級別較高，引入了“納米尺寸”思想，可對1nm至100nm的礦物進行探測。如圖2所示，是使用地球化學(xué)掃描金屬礦石的圖像。

圖2 地球化學(xué)掃描金屬礦石的圖像

當?shù)V物資源的粒度處于納米層次時，顆粒度較小，會使納米資源表現(xiàn)出較高的比表面積。比如，二氧化硅的粒徑發(fā)生變化時，初期粒度為36nm，變化至7nm，其比表面積會從初期的75m2/g，轉(zhuǎn)變成360m2/g。納米顆粒與其他物質(zhì)的反應(yīng)能力﹑顆粒擴散能力相應(yīng)增強，表現(xiàn)出更強的吸附作用，降低了顆粒熔點值。利用納米級變化的各類化學(xué)規(guī)律，進行找礦分析，可保障礦產(chǎn)探測結(jié)果的精確性[1]。

3 創(chuàng)新綠色勘查的工藝體系

3.1 建立綠色開采工藝的動力體系

國內(nèi)多數(shù)研究人員以技術(shù)新穎性為出發(fā)點，以動力體系為研究方向，給出了收益性較高﹑動力較強的采礦函數(shù)：

公式（1）為采礦函數(shù)的動力分析模型，R表示技術(shù)更新的收益量，Re表示工藝創(chuàng)新后的預(yù)期收益量，βi表示開采工藝更新后的采礦風(fēng)險可能性，C表示工藝創(chuàng)新的資金投入量。

3.2 構(gòu)建清潔型開采方案

3.2.1 水源保護

對地質(zhì)礦產(chǎn)開展的水源保護工作，可稱為“保水工藝”。此技術(shù)能夠保證地質(zhì)開采活動秩序，積極防控滲流突變問題，有效降低礦區(qū)突水事故的發(fā)生概率。采礦前期，全面掌握區(qū)域水資源分布的特點，結(jié)合地質(zhì)礦產(chǎn)的探勘數(shù)據(jù)，精準判斷采礦位置。對于含水﹑隔水各個地質(zhì)位置，給出有效的動態(tài)分析。保水工藝使用時，積極融合采礦﹑注漿等工藝內(nèi)容，利用巖層運動的控制措施，建立隔水層，防止導(dǎo)水裂隙形成問題。

例如，神東礦區(qū)制定采礦方案時，引入了“采煤保水工藝”思想，分別從“條帶開采”“膏體填充”“ZKD高水速凝回填”等方面，進行了保水工作。其中，ZKD型速凝用料含有多種類型的添加劑，用料摻水比例不小于95%，可有效控制固體用料比例，作為充填用料的首選。

3.2.2 充填減沉

以清潔思想開展礦產(chǎn)開采活動，應(yīng)側(cè)重保護礦產(chǎn)周邊建筑，使用充填減沉工藝，對采空位置進行有效回填。使用條帶﹑充填等開采方式，可有效降低地面沉降問題，積極防控巖層沉降帶來的不利作用，切實維持地表體系的平穩(wěn)性。

3.2.3 共采工藝

采礦期間可將有害物資﹑目標礦物資源均作為開采主體，以此降低有害氣體的傳出量，積極應(yīng)對環(huán)境污染問題。使用共采工藝可有效提升礦產(chǎn)開采能力，保證有害氣體資源的開采能力，保證能源開采的多樣性。在實踐開采活動中，有害氣體分布在礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，會增加共采工藝的操作困難性。共采工藝的實操期間，可將有害物資從鉆孔位置傳送至目標礦層位置。合理判斷采區(qū)勘測資料，查看有害氣體的具體數(shù)量，合理分布懸空﹑隔離等設(shè)施，保證礦產(chǎn)資源的清潔性。

3.2.4 廢料利用

采礦期間使用了數(shù)量較多的矸石廢料，是引起礦源環(huán)境受到污染的關(guān)鍵因素。結(jié)合地區(qū)生態(tài)性的規(guī)劃需求，使用矸石為回填用料，將其填充至采空位置，以此提升矸石廢料的利用效率，補充開采工藝的可用材料，構(gòu)建清潔型采礦工藝體系[2]。

4 綠色開采工藝的實證分析

為驗證綠色開采工藝的有效性，采取實證分析形式，測定新型開采工藝的設(shè)計效果。驗證目標：分析綠色開采工藝的技術(shù)能效，判斷綠色生產(chǎn)工藝可能產(chǎn)生的不利作用。驗證方法：選定一處待開發(fā)的礦產(chǎn)項目，作為實證分析的主要項目，試驗與參照兩個項目的初期勘查技術(shù)一致，將目標采礦工程劃分成礦區(qū)，使用各類開采工藝，對比開采能效，分析減排效果。測定開采技術(shù)效率的具體方式，是有效測定礦產(chǎn)資源的開采數(shù)量w，開采用時t，則開采效率p=w×t-1。實證分析結(jié)果如表2所示。

表2 實證分析結(jié)果

由表2實證資料可知：借助綠色開采工藝，顯著提升了技術(shù)效率，礦產(chǎn)開采量從6.8t增加至7.2t，采礦時間從4d縮減至3d，水污染范圍從703.4m3縮減至665.2m3，水污染濃度從0.08g/m3降至0.04g/m3，土地污染區(qū)域從568.7m3降至530.4m3，空氣污染得到有效改善。由此推斷：綠色開采工藝在開采量﹑采礦用時兩個技術(shù)方面，表現(xiàn)出較高的技術(shù)優(yōu)勢，在水污染范圍﹑土地污染范圍﹑水污染濃度﹑空氣質(zhì)量等方面，表現(xiàn)出優(yōu)異的生態(tài)性優(yōu)勢，可進行開采技術(shù)推廣[3]。

5 充填減沉工藝應(yīng)用的實例分析

5.1 J項目概況

J項目的礦井項目規(guī)格達到了千萬噸級別，初期設(shè)定的原生產(chǎn)規(guī)格為640t/a，礦井實際生產(chǎn)能力達到了1080萬t/a。J井田共含有三個組成，井田規(guī)格為76.4m2，井田礦層共有15層資源，開采層集中于3層﹑15層。對3層進行采掘作業(yè)，3層與15層的直線距離約為85m，礦層資源厚度介于4.46m至8.73m之間，層厚平均值為6.30m。此次開采任務(wù)以綜采為主，采礦面離地大約850m，礦層底板高度參數(shù)為420m，作業(yè)面的傾角參數(shù)設(shè)計為3°，礦層厚度平均值為6.2m。使用機械設(shè)備，進行綜合開采，保證采礦效率。

5.2 編制充填開采方案

對作業(yè)面進行鉆孔處理，使用注漿充填工藝，對采礦形成的巖層分離層，進行高壓回填處理。采空區(qū)域內(nèi)設(shè)定壓實操作區(qū)，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的承載體系，有效防控地表塌陷問題，對矸石山體形成全面保護，以此延長礦山的可采時間，增加礦產(chǎn)資源的開采能力。使用矸石回填方法，達到綠色生產(chǎn)目標。

5.3 測定注漿層位

合理選定注漿巖層的具體位置，可保障巖層隔離回填處理質(zhì)量。如果注漿層與礦產(chǎn)資源的間距較大，會縮小漿液的擴散區(qū)域，高壓漿液就難以有效處理采空位置，導(dǎo)致殘存部分裂隙帶。注漿處理完成，巖層整體結(jié)構(gòu)會繼續(xù)下沉。如果注漿位置不高，注漿層正處于以裂隙帶為主，注漿處理會發(fā)生跑漿問題，增加漿液用量，無法保障生產(chǎn)秩序。為此，注漿層位應(yīng)選定在裂隙的上層位置，防止控制層出現(xiàn)斷裂問題，以此達到地表下沉的控制目標。

如果將首層巖層設(shè)定為控制層，此層應(yīng)可以有效控制m個巖層。如果巖層上方m+1層位置設(shè)為控制層，則有qm+1＜qm的關(guān)系。其中，qm表示m層位置巖層承受的豎直方向應(yīng)力，qm+1表示m+1層位置巖層承受的豎直方向應(yīng)力。逐一確定J項目采礦任務(wù)的各個覆巖位置，共計選出7個控制層。參照周邊采礦面的裂隙帶高度測定數(shù)據(jù)，采礦任務(wù)裂隙帶的實測高度，等同于采礦區(qū)高度的11倍，具體測定結(jié)果為68.2m。首層﹑次層的控制層設(shè)計，選在導(dǎo)水裂隙區(qū)域內(nèi)。第三層的控制層方位，與采礦面頂板相距115m。注漿斜面孔位的布設(shè)方法，如圖3所示。

圖3 注漿斜面孔位的布設(shè)方法

5.4 開采效果

結(jié)合J項目的實際地質(zhì)特點，使用UDEC模擬程序，梳理注漿巖層的下沉規(guī)律。案例項目采礦作業(yè)面的整體傾斜角度不大，項目模擬期間，可將各巖層轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较颍傻V面共設(shè)7個控制層，模型依據(jù)采礦面長度沿線進行切面處理，模型規(guī)模為：短邊長為1500m，高度參數(shù)為520m，模型頂部設(shè)計為結(jié)構(gòu)松散層，厚度參數(shù)選取120m，各巖層模擬時均引入固定約束條件，保證模型底面位置的平穩(wěn)性。左右邊界控制時，有效控制模型向X軸的移動量。采礦面整體長度設(shè)計為300m，正處于模型正中位，引入del命令進行開采模擬，注漿孔分布于第三層的控制層下方位置，執(zhí)行pfix命令，開展注漿活動。

模型頂面位置的測點統(tǒng)計﹑測點位置改變情況，如表3所示。

表3 模型頂面位置的測點統(tǒng)計、測點位置改變情況

參照建筑損壞層次的具體規(guī)范，地表結(jié)構(gòu)形變的傾斜參數(shù)i不足30mm/m時，可判定為輕微損壞層次。結(jié)合表3的實測結(jié)果，推斷J項目使用注漿回填工藝開展的采礦作業(yè)，使地表形變值不大，能夠保持矸石山結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性[4]。

6 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)對礦產(chǎn)資源進行的各項開采活動，以綠色工藝為主要內(nèi)容，保證企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)體系的全面性，發(fā)揮技術(shù)支持生產(chǎn)的積極作用。建立新型綠色開采工藝體系，能夠降低采礦生產(chǎn)形成的環(huán)境污染問題，切實提升采礦有效性，營建生態(tài)型采礦環(huán)境。